Charge électrique

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Charge électrique
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Champ électrique créé par deux charges de signes respectifs opposés.

Unités SI coulomb (C)
Autres unités Ampère-heure (Ah)
Dimension I.T
Base SI A.s
Nature Grandeur scalaire conservative extensive
Symbole usuel Q, q
Expressions q=IΔt

La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui lui permet d'interagir par le biais de champs électromagnétiques. Il s'agit d'une grandeur scalaire, qui joue pour l'interaction électromagnétique le même rôle que la masse[1] pour l'interaction gravitationnelle. Toutefois, contrairement à cette dernière, il existe deux types de charges électriques, que l'on distingue par leurs signes, positif ou négatif. Des charges de même signe se repoussent, tandis que celle de signes opposés s'attirent. Dans la matière ordinaire, il y a équilibre entre les charges positives et négatives, on parle de neutralité électrique.

L'unité usuelle de mesure de la charge est le coulomb (C), toutefois dans certains contextes, par exemple en ingénierie, l'ampère-heure (Ah) est couramment utilisé.

La charge électrique se conserve toujours et constitue une propriété essentielle des particules élémentaires soumises à l'interaction électromagnétique. La matière électriquement chargée est influencée par, et produit, les champs électromagnétiques. Depuis l'expérience de Millikan en 1909 il a été mis en évidence que la charge électrique est quantifiée: toute charge Q quelconque est un multiple entier de la charge élémentaire, notée e[2], qui correspond à la valeur absolue de la charge de l'électron, avec e ≈ 1,609.10-19 C. Toutefois, en raison de la petitesse de cette valeur, il est souvent possible de considérer la charge comme une quantité continue lorsque des quantités macroscopiques de charges sont considérées[3]. En électronique, le caractère discret de la charge électrique se manifeste cependant par un type de bruit particulier appelé bruit de grenaille.

Présentation[modifier | modifier le code]

La charge électrique est une notion abstraite, comparable à celle de masse, qui permet d'expliquer certains comportements. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre deux formes, que l'expérience amène à considérer comme « opposées » ; on les qualifie arbitrairement de positive et négative. Deux charges de même nature, deux charges positives par exemple, se repoussent, alors que deux charges de nature opposée s'attirent. On appelle ce phénomène interaction électromagnétique. L'interaction entre les charges et un champ électromagnétique est la source d'une des quatre forces fondamentales. Ces champs électromagnétiques, en mécanique classique, obéissent aux équations de Maxwell.

La charge électrique peut être directement mesurée avec un électromètre. Son unité est le coulomb. Les particules observées possèdent des charges qui sont des multiples entiers de la charge élémentaire qui est une constante physique fondamentale (excepté pour les particules appelées quark qui ont une charge électrique correspondant à un entier multiplié par e/3). Les quarks ont des charges fractionnaires de -1/3 ou +2/3, mais des quarks libres n'ont jamais été observés. La raison théorique avancée pour expliquer cette observation est la liberté asymptotique. La nature discrète de la charge électrique a été démontrée par Robert Millikan dans l'expérience qui porte son nom.

Histoire[modifier | modifier le code]

La charge électrique est découverte par les anciens Grecs qui constatent que le frottement de la fourrure sur diverses substances, telles que l'ambre, produit un déséquilibre de charge électrique (phénomène triboélectrique). Les Grecs notent que des boutons en ambre chargés pouvaient attirer des objets légers tels que des cheveux. Ils remarquent également que s'ils frottent l'ambre assez longtemps, ils peuvent même obtenir une étincelle. Le mot électricité dérive de ηλεκτρον, le mot grec pour ambre.

Au XVIIIe siècle, l'étude de l'électricité devient populaire. On réalise des expériences d'électrostatique au cours desquelles, à l'aide de dispositifs jouant le rôle de condensateurs tel que la bouteille de Leyde, on atteint des tensions suffisamment élevées pour provoquer des commotions. Par une série d'expériences (1733), l'intendant du Fay distingue deux sortes d'électricité : l'électricité vitreuse (+) et l'électricité résineuse (-) correspondant aux deux types de comportement de la matière lors d'une électrisation par frottement.

À la même époque, Benjamin Franklin imagine l'électricité comme étant un type de fluide invisible présent dans toute la matière. Il pose comme principe que le frottement de surfaces isolantes met ce fluide en mouvement et qu'un écoulement de ce fluide constitue un courant électrique. Il pose également comme principe que la matière contenant trop peu de ce fluide est chargée négativement, chargée positivement sinon. Arbitrairement, en tout cas pour une raison qui nous est inconnue, il identifie le terme positif avec le type de charge acquis par une tige de verre frottée sur de la soie, et négatif avec celui acquis par une tige en ambre frottée avec de la fourrure.

Convention et réalités[modifier | modifier le code]

Nous savons maintenant que le modèle de Franklin était trop simple. La matière se compose réellement de deux genres d'électricité : les particules appelées protons qui portent une charge électrique positive et les particules appelées électrons qui portent une charge électrique négative.

Le courant électrique peut avoir différentes causes : un écoulement de particules négatives ou un écoulement de particules positives, ou un écoulement de particules négatives et positives dans des sens opposés.

Pour réduire cette complexité, les électriciens emploient toujours la convention de Franklin et imaginent le courant électrique, connu sous le nom de courant conventionnel, comme constitué d'un écoulement de particules exclusivement positives.

Le courant conventionnel simplifie les concepts et les calculs, mais masque le fait que dans quelques conducteurs (électrolytes, semi-conducteurs, et plasma) les deux types de charges électriques se déplacent dans des directions opposées, ou que dans les métaux, les charges négatives sont quasi exclusivement responsables de la circulation du courant. Ces derniers paramètres sont l'affaire des scientifiques de recherche sur le sujet et des ingénieurs de conception en électrotechnique et électronique.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Hormis les propriétés décrites concernant l'électromagnétisme, la charge est un invariant de la théorie de la relativité : n'importe quelle particule de charge q, quelle que soit sa vitesse, gardera toujours sa charge q.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. En toute rigueur, que la masse grave, par opposition à la masse dite inerte, qui intervient dans la relation fondamentale de la dynamique. Toutefois il y a identité de ces deux types de masse théoriquement différente par leur nature, cette identité étant un des fondements de la théorie de la relativité générale.
  2. Les quarks ont certes une charge qui est une fraction de la charge élémentaire, soit 2e/3 ou e/3, mais ceux-ci n'ont jamais été observés à l'état libre et se combinent toujours par paires (quark - antiquark, mésons) ou par triplets (baryons, par exemple le proton ou le neutron): il s'agit du phénomène d'hadronisation des quarks. Ceci, donne toujours des particules neutre ou de charge égales à des multiples entiers de la charge élémentaire, au signe près.
  3. Par exemple la densité d'électrons libres dans un métal comme le cuivre est de l'ordre de 1029 m-3. Par suite, un cube de 1 μm3 de ce métal, pourtant de taille très réduite à l'échelle macroscopique usuelle, contient encore près de 1011 électrons libres, soit un nombre rendant illiusoire même dans ce cas de distinguer le caractère quantifié de la charge.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]